图1  TD覆层组织结构

本文介绍了TD覆层处理工艺流程，分析了成形类模具表面拉毛产生机理及解决方法，并结合TD覆层技术在汽车纵梁模具上的成功应用，重点介绍了该技术产生的实际效果和经济价值，以及该技术处理的工艺条件和后期模具维护保养注意事项。

TD覆层处理是热扩散法碳化物覆层处理的简称，是在一定的温度下将金属工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳原子产生化学反应，扩散在工件表面而形成一层5～20mm的钒、铌、铬、钛及铱等金属碳化层。

TD覆层处理技术

TD覆层处理技术是由日本丰田研究开发出来的，并将该技术成功用于汽车模具之中，大大提升了汽车模具的质量，加速了汽车模具的发展。该覆层工艺的主要技术特点是：

1.金属工件的表面硬度大大提高，全面解决工件的磨损失效。相同工况下，其使用寿命比传统强化方式平均提高10倍以上。

2.与基体冶金结合，表现出优异的抗剥离性。

3.不论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中工件变形小。

4.改性后工件的表面粗糙度与处理前大致相同，Ra0.2mm之内处理后可直接使用。

5.可重复处理。

TD覆层处理的工艺流程为：尺寸测量→打磨抛光→脱脂处理→工件预热→TD覆层→淬火→回火→清理抛光→检验。具体做法是将预处理的工件置于含有碳化物形成元素如钒、铌、铬高温盐浴中，温度保持在850～1050℃，处理1～8h，此时基体中所含的碳（主要指奥氏体中的固溶碳）会往外扩散至表面，与盐浴中的碳化物形成元素结合为碳化物，表面形成碳化物后，形成内外碳浓度的梯度，随着覆层过程的进行，碳不断向外扩散，使覆层加厚（见图1）。

TD覆层处理技术的优势

大量实践证明，TD表面覆层处理技术是目前避免冲压成形零件与模具拉伤问题经济而最有效的方法之一，可提高模具使用寿命数倍甚至数10倍，有极高的经济、实用价值。

表1是从实验资料中摘录的几种不同表面处理工艺的性能对比数据见表1，从该数据可以看出：TD与CVD（化学气相沉积法）、PVD（物理气相沉积法）的硬度、摩擦系数基本接近，但远高于传统的渗碳、渗氮工艺；而PVD因膜层与基体结合力较差，难以发挥优势；CVD工艺的排出物会对环境产生污染，并对员工身体健康造成伤害，工艺比较难控制。

从表中数据来看，TD覆层处理的优点还是很明显的：

1.TD覆层处理后的模具表面具有高硬度、低摩擦系数。

2.TD处理的覆层是冶金结合，有优异的抗咬合、抗拉伤性能。

3.TD处理后的模具使用寿命提高几倍，甚至几十倍。

4.TD处理后模具的抗腐蚀性、抗氧化性也大幅度提高。

TD处理对模具材料的要求

TD处理的原理是零件材料中的固溶碳原子作长程扩散形成碳化物层，因此对模具材料的含碳量有基本要求，当模具材料的含碳量低于0.35%，就不适合作TD处理。从国内目前成熟的技术来看，SKD11、Cr12MoV和T10等高碳钢及高碳合金工具钢比较适合作TD处理。但材料组织结构不均匀的工件，在作TD处理时会产生变形和开裂，一般修补过的模具在焊缝处也会出现开裂现象。

由于TD处理后的模具要做淬火、回火处理，做TD处理的零件含碳量会有所降低，影响零件材料的淬透性，因此，作TD处理的模具材料淬透性要求良好。

另外，TD处理对模具表面也有一定要求，因TD处理形成的碳化物层与基体的结合力虽然比其他表面强化处理方法要强，但当基体表面有开口、裂纹缺陷时，TD覆层也极易发生剥落。如果表面过于粗糙，处理过程就会隐藏缺陷，TD处理后也会因硬度过高而大大增加打磨的时间。对已经做过其他表面处理的模具，都要先去除表面处理层后才能进行TD处理。

目前，受TD处理设备和成本的限制，国内大部分TD加工企业只能加工500mm×1000mm以内的模具，超过这个尺寸的模具设备条件无法满足，因此，要处理尺寸偏大的模具，模具必须是分镶块结构。

TD覆层技术在汽车模具上的应用

汽车零件最常见的质量缺陷是零件表面拉毛，拉毛刻痕不仅影响油漆质量及外观，而且容易产生应力集中，进而影响车身寿命，特别是对于汽车安全承载零件来说，如汽车纵梁类零件，如何降低或消除拉毛缺陷，提升整车安全性能、延长模具寿命及提高零件生产效率是企业追求的目标。

1.车身纵梁系列零件介绍

东风天锦系列商用车是目前东风汽车公司最畅销的中型卡车之一，纵梁系列零件处于驾驶室的正下方，主要起承载作用，是最重要的安保件。东风天锦驾驶室车身纵梁系列分为左右前纵梁、左右前内纵梁、左右前纵梁加强梁、左右后纵梁以及左右后内纵梁等10种零件（见图2、图3），零件料厚最厚为2.3mm，最薄为1.4mm。

2.纵梁零件产生拉毛原因分析

出于驾驶室安全的考虑，纵梁系列零件一般比汽车外表覆盖件材料厚，因此，其冲压成形的模具都要承受极高的成形压力，零件表面和模具表面容易产生拉毛缺陷，如果继续生产，模具与零件表面质量会进一步恶化，拉毛转化成拉痕，甚至拉裂。如果拉毛过于严重，一般会停止生产，由模修钳工对模具表面进行抛光处理。

大量实践表明，在没有采取特殊处理的情况下，拉毛缺陷伴随模具生产的全过程，只要是冲压件都存在不同程度的拉毛缺陷，无论模具如何热处理或淬火硬度多高，拉毛问题都无法避免。本文对拉毛缺陷产生机理和主要危害作更进一步的探讨。

（1）拉毛缺陷产生机理：在冲压零件拉延成形过程中，在力和摩擦作用下，模具表面和材料板料表面的吸附层和油膜被破坏，刚开始是表面的高点油膜先失去，吸附层破坏，产生原子级接触而出现冷焊现象。模具表面和板料表面的金属离子相互吸附、扩散，由于板料轧制和模具铸造或加工等产生晶粒缺陷，两种洁净表面金属离子吸附力大于有缺陷的原子键或正常原子键，板料晶粒被剥离、粘结在模具表面上，随着拉延继续深入，板料连续滑过模具表面，这些先粘附高点更易挤压破坏板料表面油膜而吸附、扩散和剥离板料表面，发生再次粘结。多次拉延，造成粘结点增生形成“积瘤”。

“积瘤”的每层金属晶粒都经过了晶粒破碎和位错变化，金属塑性变形抗力增大，其硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象。“积瘤”具有比板料更高的硬度，可达到板料硬度的2～3.5倍。拉延不断进行，长高的积瘤像一把铲刀，铲去滑过积瘤处的板料金属，产生划伤鳞刺和犁沟损伤。

东风天锦驾驶室左右前内纵梁板料厚2.3mm，凸模材料采用MoCr铸铁，凹模和压料圈材料采用Cr12MoV，因产品结构深，材料流动阻力大，生产到一定数量，零件外表面轻者划伤，重者出现犁沟和鳞刺现象。这时，仔细观察模具表面，有粘结斑痕，抛光模具表面，再生产几乎无改善。造成上述现象的原因是，产品结构深，成形流动阻力较大，经过摩擦发热，模具和板料间咬合、粘结在模具表面而产生积瘤。

图4  左右前内纵梁成形工序件

（2）拉毛缺陷的主要危害：①拉毛增大拉延阻力。冲压作业时，拉延件表面拉毛增加了压边面进料阻力，要么频繁调整设备压力以维持最佳压力条件稳定产品质量，要么产品棱线及危险段面产生吸颈和破裂的概率增加数倍。

②拉毛刻痕易产生应力集中。导致零件首先从拉毛划伤处出现裂纹，致使车身早期损坏。

③拉毛刻痕易产生涂饰缺陷。拉毛刻痕在涂饰时，易出现细微排气不畅，导致漆膜与金属面间有气隙，因震动或碰撞，气隙处漆膜破裂而进气、进水，生锈由此产生。

④增加人工修件工时。车身零件因产品结构特点，许多产品表面拉毛必然留在产品上。手工抛光打磨，会产生工时浪费。如对车身纵梁系列零件的拉毛修理，需投入大量的人力物力，修理成本大，效率低。

⑤造成停工等待浪费，严重影响生产效率。当零件出现严重拉毛缺陷后，需停机对模具表面进行抛光处理，每抛一次约耗时10～15min，但每次抛光处理后仅能维持冲压40～50件左右，又会产生拉毛缺陷。

3.纵梁成形模具的TD处理

东风天锦车身纵梁系列共有10个零件，7套成形模，凹模和压料圈材料采用Cr12MoV，镶块最大尺寸为420mm×540mm，最小尺寸为300mm×450mm，符合TD覆层处理的基本技术条件。TD覆层处理技术是利用其高耐磨、抗粘结性能，从根本上解决成形类模具的表面拉伤零件和粘料问题，提高产品质量和模具使用寿命。

分别对纵梁零件建立相应生产储备后，逐一对每套模具的凹模和压料圈进行TD处理。

根据扩散理论，被覆碳化物的厚度取决于基体材料中碳原子的扩散情况，包括盐浴温度和处理时间，温度范围在850～1050℃之间，核心工艺920～960℃之间，要使最佳温度与基体的最佳淬火温度相一致，不可高于这个温度，因为绝大部分模具在TD处理后必须进行回火处理，目的是消除TD处理模具的应力，提高其力学性能，保证TD处理的质量。

经检测，经TD表面覆层处理后的纵梁模具镶块TD覆层的厚度在8～12μm之间，硬度在58～62HRC之间，完全符合TD覆层工艺的技术指标。

4. TD覆层处理后模具的使用情况

该项目是2008年底完成并投入批量生产的，2010年纵梁系列模具经过经过TD覆层处理后，分别累计冲压生产达44000件，平均每批次生产2500件左右，最多一个批次生产3500件。这期间，无需人工抛光模具，纵梁零件表面无拉毛缺陷，TD表面处理技术取得了十分显著的实际效果。图4所示为已冲压近5万件的纵梁零件。

对比模具TD覆层处理之前，2008年的产量按8000台计算，模具的抛修频率平均50件一次，每次约10min，停机抛修模具工时为26.7h，压机综合台时费为1200元，年节约设备台时费32000元，而且节约的人工修件费尚未计算，实际产生的经济成本效益也是相当明显的。目前，我们正计划对部分符合条件的外表覆盖件模具进行TD覆层处理，以提升外表覆盖件的冲压质量。

5.TD覆层模具的维护和保养

TD表面覆层处理后的模具需要精心维护、悉心保养。通过正确地维护保养方法，维持优良的冲压作业环境，才能延长模具寿命，提高冲压件的质量水平。

（1）模具清洗：每冲压生产一批零件后都要对模具进行清洗，特别是对拉延成形类模具，将模具凸凹模、压料圈拆开，用热水彻底冲洗，除净油污、铁屑和砂粒等异物，最后用压缩空气吹干，避免生锈。

（2）板料清洁：经TD覆层处理后的纵梁模具，对应的也要保证纵梁生产板料的清洁。目前，我厂采取的主要有两方面的措施，一是在材料的存放环节，用铝合金方子取代之前的木方子存放，避免木方子掉渣污染板料；另一方面是在材料的物流转运环节，从材料开卷剪切到冲压生产车间，用塑料薄膜对板料进行包裹，直到生产工位才打开，有效保证板料不受灰尘、杂质污染，进而保证纵梁模具TD覆层不被破坏，提高冲压件的生产质量。

（3）定期维护：TD覆层表面经过一定批量生产后，大约3000件左右，模具表面会发现有轻微粘结点，用超细油石（800～1200目）轻推这些有手感的粘结点，直到手感光滑不发涩为止。油石抛光时最好沿走料方向反复推，切忌用粗油石或砂砖、砂轮抛打，否则会破坏周围正常的光洁表面。

结语

在车身制造过程中，冲压件的质量水平直接关系到车身的外观质量和安全性能。通过对车身纵梁模具进行TD覆层处理，并经过大批量生产证明，TD覆层能有效提高模具表面硬度，提高模具表面的抗粘结能力，充分解决零件拉毛质量缺陷，进而降低模具维修频次，延长模具寿命，显著提高冲压件的质量水平，充分显示出该工艺的优越性。